一、產(chǎn)生自激的原因和條件
自激是指:電路沒有輸入信號,也會有輸出。
下面電路是一個電壓串聯(lián)負(fù)反饋,假若電路具有三個極點頻率,其頻率特性表達(dá)式和開環(huán)對數(shù)幅頻特性如下:
開環(huán)幅頻特性表達(dá)式:
從頻率特性曲線可知,在通頻帶以內(nèi),即其附加相移還是小于,所以引入的還是負(fù)反饋。 而在通頻帶以外,如在(fp)頻率上,其此時的附加相移已是-了(即),這說明,放大器在通頻帶以內(nèi)是負(fù)反饋,但是在通頻帶以外的某一頻率上,原負(fù)反饋已變成了正反饋了,這導(dǎo)致放大器工作不穩(wěn)定,可能自激。由增益函數(shù)可知,當(dāng)時,閉環(huán)增益變?yōu)闊o窮大,即此時,無輸入也會有輸出,電路產(chǎn)生了自激。所以,產(chǎn)生自激的幅度條件為:。
也可寫成:(或20),(幅度平衡條件);
,(相位平衡條件)。
負(fù)反饋放大器要產(chǎn)生自激振蕩必須滿足兩個條件,幅度條件和相位條件。
在通頻帶以內(nèi),該電路是負(fù)反饋,而當(dāng)在通頻帶以外,在波特圖中的其附加相移-,如果此時的信號,該信號正好代替了,即使為0,反饋回來的信號又經(jīng)放大和反饋,如此不斷的循環(huán),電路會具有一定的輸出。實際上,整個起振過程為:剛開始時環(huán)路增益使反饋回來的信號不斷加強(qiáng),由于器件的非線性,逐漸接近并等于1,振蕩幅度達(dá)到平衡。
二、穩(wěn)定判據(jù)和穩(wěn)定裕度
一個負(fù)反饋放大器工作是否穩(wěn)定,會不會產(chǎn)生自激振蕩?可以通過產(chǎn)生自激的兩個條件決定。
1. 穩(wěn)定判據(jù)
方法:用環(huán)路增益的波特圖來判斷。
判據(jù):(或20),(幅度平衡條件);
,(相位平衡條件)。
具體操作:①作出環(huán)路增益波特圖;
② 從相位條件看幅度
從波特圖的處,找幅頻特性上的幅度是>0db還是<0db,如>0db則一定自激;如<0db則放大電路工作穩(wěn)定,不會自激。
③ 從幅度條件看相位
從=0db處,找相頻特性上的附加相移,>時,必定存在某一頻率,滿足幅度和相位條件,使放大器產(chǎn)生自激振蕩;如果<時,則不滿足相位條件,放大電路工作穩(wěn)定,不會產(chǎn)生自激。
2. 穩(wěn)定裕度
為保證負(fù)反饋放大器在各種環(huán)境下都處于穩(wěn)定的工作,工程上在處的回路增益或在處的相位都有一定的余量—裕度。它是衡量一個放大器工作是否穩(wěn)定的重要指標(biāo)。
裕度有兩種標(biāo)準(zhǔn):① 增益裕度gm表示環(huán)路增益的附加相移時,其對應(yīng)的環(huán)路增益,即為增益裕度gm(幅度裕度),如圖所示:
② 相位裕度
表示環(huán)路增益處時,其對應(yīng)的環(huán)路附加相移為相位裕度。 放大器的幅度裕度和相位裕度總稱放大器的穩(wěn)定裕度。
三、消除自激振蕩的方法
思路:用相位補償來破壞產(chǎn)生自激振蕩的兩個條件;
具體方法:在放大電路的適當(dāng)?shù)胤郊幼枞菰?rc元件),使環(huán)路增益的頻率性發(fā)生變化,從而相位和幅度不滿足自激條件。
1. 電容滯后補償法
將補償電容連接在前一級的輸出電阻和后一級的輸入電阻都比較大的回路,如下二個電路所示。它的目的是使決定上限的截止頻率下移。
該兩個電路的等效電路可以畫成下面的形式:
在未接補償電容c前,其上限頻率為:
接入補償電容c后,上限頻率變?yōu)椋?br>
現(xiàn)以三級開環(huán)幅頻特性為例,補償前的頻率特性復(fù)數(shù)表達(dá)式為:
補償后fp被fp’代替,所以表達(dá)式變?yōu)椋?br>假定原,補償后,則補償后的頻率特性如粗線所示。
補償前后,同樣以的相位裕度下:補償前,反饋系數(shù)最大只可,補償后f可以為,即可加深負(fù)反饋了。
該補償優(yōu)缺點:簡單,方便;但上限頻率下降了,通帶變窄了。
2. 阻容滯后補償法(rc滯后補償)
該補償也稱零點—極點補償,在原單接電容補償?shù)牡胤礁慕与娮鑢和電容c串聯(lián)。它同樣可以與電容補償一樣寫出補償前后的頻率特性表達(dá)式,然后畫出補償前后的bode map,求出補償后的上限頻率和通帶寬度。這種補償同樣使通帶變窄,但比單純用電容補償時的通帶要寬一些 。所以,普遍采用。
3. 密勒效應(yīng)補償法
補償原理與前相同,只是此時可以用較小的電容值,就可起到明顯補償效果。這種補償?shù)碾娐啡鐖D所示:
幾種密勒效應(yīng)補償電路:
4. 相位超前補償法
該種補償?shù)幕舅悸罚涸O(shè)法在環(huán)路增益處的相位超前,使之不滿足自激條件。這種補償可以不損失通頻帶的寬度,但對電路參數(shù)苛刻,且較難調(diào)節(jié)。